小麥玉米輪作秸稈直接還田的效應(yīng)、存在問題與研發(fā)方向

董曉霞　陳素英　王學(xué)君等

摘要：介紹了黃淮海平原冬小麥—夏玉米一年兩熟中秸稈還田的方式、秸稈直接還田的效應(yīng)與存在問題?，F(xiàn)有研究表明，秸稈直接還田具有提高土壤養(yǎng)分和養(yǎng)分利用率、增加土壤有機質(zhì)、節(jié)水保墑、促進(jìn)夏玉米增產(chǎn)、改變土壤溫度的正面效應(yīng)，但也存在影響下茬作物出苗率、部分冬小麥減產(chǎn)等問題；提出了該區(qū)域秸稈直接還田下一步研究與發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：秸稈直接還田；正面效應(yīng)；存在問題；發(fā)展方向；黃淮海平原

中圖分類號：S157.4+1文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2014）07-0141-04

據(jù)中國新聞網(wǎng)報道，國家環(huán)保部2012年6月11日全國秸稈焚燒遙感監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，安徽、河北、河南、江蘇、遼寧、山東、山西、天津等省市的秸稈焚燒火點503個。粗略統(tǒng)計，全國焚燒的秸稈約占總儲量的30%，秸稈焚燒不僅是大氣污染的一個重要源頭，也是政府部門的老大難問題。近年來，隨著農(nóng)作物秸稈資源化利用技術(shù)的不斷完善和推廣，我國秸稈綜合利用得到了發(fā)展。秸稈機械直接還田、快速腐熟還田、保護性耕作、秸稈青貯和微貯、秸稈壓塊飼料和膨化飼料加工、秸稈沼氣和秸稈熱解氣化、秸稈固化成型燃料、秸稈栽培食用菌等新技術(shù)的發(fā)展，有效地提高了我國秸稈資源的循環(huán)利用水平。

黃淮海平原是我國高度集約化農(nóng)區(qū)和重要糧食主產(chǎn)區(qū)，隨著糧食單產(chǎn)水平的提高，秸稈的相對和絕對剩余量越來越多。據(jù)“十一五”國家科技支撐計劃課題調(diào)研4 100個典型樣本結(jié)果顯示，黃淮海平原區(qū)作物秸稈總量約為1億噸，其中小麥占41.4%，玉米占34.2%，水稻、棉花、花生、豆類、薯類等作物秸稈產(chǎn)量較少，約占24.2%。主要農(nóng)作物秸稈綜合利用率在70%～95%，仍有一定比例的秸稈就地焚燒，造成資源浪費和區(qū)域環(huán)境污染。

目前，秸稈資源循環(huán)利用中，秸稈直接還田是最簡單的方法，也是各地大力推廣、應(yīng)用最多的模式。本文綜合冬小麥夏玉米輪作體系中秸稈直接還田的試驗結(jié)果，分析了秸稈還田的效應(yīng)、存在問題和研究進(jìn)展，以期為推進(jìn)黃淮海區(qū)域秸稈資源的高效循環(huán)利用提供一定參考。

1秸稈還田的方式

黃淮海平原主要作物為冬小麥和夏玉米，作物秸稈還田方式主要包括翻壓還田、覆蓋還田、過腹還田、堆漚還田和焚燒還田等。其中秸稈過腹還田受當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)發(fā)展的限制，利用比例基本保持15%～20%；堆漚還田費工、費時、占地，秸稈堆漚還田的比例越來越少；焚燒還田造成大氣污染，目前已經(jīng)被禁止。機械化秸稈直接還田是該區(qū)域秸稈資源利用的主要方式，包括秸稈翻壓還田和覆蓋還田。

秸稈翻壓還田包括粉碎翻壓和整稈翻壓。粉碎翻壓的深度與土壤耕作的深度有關(guān)，傳統(tǒng)的土壤耕翻深度為20 cm，粉碎的作物秸稈被翻壓在20 cm土層處；目前生產(chǎn)上大面積推廣的旋耕深度為10～15 cm，粉碎的作物秸稈則被翻壓在10～15 cm土層處。黃淮海平原冬小麥—夏玉米一年兩熟區(qū)，玉米秸稈直接還田，大部分采用秸稈粉碎后土壤旋耕還田。秸稈整稈翻壓還田效率低，土地平整度差，費工費時，應(yīng)用面積越來越少。

秸稈覆蓋還田是將秸稈覆蓋在下茬作物地表的還田方式。黃淮海平原冬小麥—夏玉米一年兩熟區(qū)，隨著背負(fù)式小麥秸稈切碎機和小麥聯(lián)合收割機的普及，在小麥聯(lián)合收割時，將小麥秸稈粉碎并通過拋撒裝置均勻拋撒在地表，然后進(jìn)行玉米貼茬播種，小麥秸稈覆蓋在玉米田。目前該區(qū)域小麥秸稈大部分采用地表覆蓋的形式還田。

2秸稈直接還田的正面效應(yīng)

2.1提高土壤養(yǎng)分和養(yǎng)分利用率

農(nóng)作物秸稈中含有一定數(shù)量的氮、磷、鉀和微量元素，在秸稈腐解過程中陸續(xù)釋放出來為作物利用，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的肥源。據(jù)分析，小麥、玉米的秸稈含氮量分別為0.51%、0.59%，含P2O5分別為0.12%、0.14%，含K2O分別為2.7%、1.25%[1，2]。若返還15 t/hm2秸稈，等于向土壤補充了75～90 kg氮，180～300 kg的P2O5和90～405 kg K2O；如果這部分秸稈被移出田間，等于損失了約150～180 kg尿素、1 500 kg過磷酸鈣和180～810 kg的硫酸鉀或氯化鉀；若將這部分秸稈燒掉，氮將大部分損失掉，P2O5和K2O基本保留在灰分中[3]。曲周試驗區(qū)長期秸稈還田配施氮磷肥的研究得出，增施秸稈和氮肥并采用免耕措施可以增加土壤速效氮的含量，秸稈配施磷肥對提高土壤表層速效磷含量和維持土壤速效鉀含量有積極的作用[4]。

2.2增加土壤有機質(zhì)

作物秸稈富含纖維素、木質(zhì)素等富碳物質(zhì)， 是形成土壤有機質(zhì)的主要來源。多數(shù)試驗證明， 秸稈還田有利于更新和增加土壤有機質(zhì)。勞秀榮等[5]研究表明，在同一時期內(nèi)N、P肥用量相同時，秸稈還田量與有機質(zhì)呈顯著正相關(guān)；秸稈與化肥配施比單施秸稈或化肥更有利于土壤有機質(zhì)的提高。山東恒臺縣1982～1996 年定點監(jiān)測結(jié)果， 通過秸稈還田郭家村西土壤有機質(zhì)由1.32%增加到1.56%，每年以1.15%的速度遞增，1997年和1982年相比， 全縣土壤有機質(zhì)平均含量由1.30%提高到1.50%[6]。從曲周、北京、欒城、陵縣等多點長期試驗得出，每年秸稈還田量在2 250～4 500 kg/hm2，可使土壤有機質(zhì)達(dá)到平衡。

2.3節(jié)水保墑效應(yīng)

目前秸稈覆蓋形式主要包括秸稈粉碎覆蓋（小麥秸稈）、整秸稈覆蓋（玉米秸稈）和高留茬覆蓋。張俊鵬等[7]研究表明，麥秸覆蓋夏玉米田有效抑制了棵間土壤蒸發(fā)，平抑了地溫的變化幅度；夏玉米生育期內(nèi)，4種覆蓋處理（由高覆蓋量至低覆蓋量）棵間土壤蒸發(fā)比對照依次減少了63.51%、60.98%、52.94%、34.07%，0～20 cm的地溫平均日變幅比對照分別降低了3.14、2.93、2.32、2.02℃。研究表明，不論秸稈覆蓋量多少， 也不論季節(jié)， 均有減少土壤水分蒸發(fā)的良好效果。沈振榮等[8]總結(jié)了多年多點農(nóng)田秸稈覆蓋的保墑效應(yīng)，結(jié)果表明，覆蓋比不覆蓋播種后苗期表層土壤含水量提高30%～50%。由懋正等[9]在河北省欒城縣進(jìn)行的小麥秸稈高留茬對下茬玉米土壤蒸發(fā)的影響結(jié)果表明，高留茬（30～35 cm）顯著抑制玉米土壤蒸發(fā)，節(jié)水50 mm左右。

2.4產(chǎn)量效應(yīng)

秸稈覆蓋的增產(chǎn)機理在于，秸稈覆蓋后增加的土壤水分在作物生育后期轉(zhuǎn)化成了產(chǎn)量，越是在干旱的條件下，增產(chǎn)作用越顯著。但各地氣候、土壤條件、作物種類、覆蓋時間不同，增產(chǎn)的效果差異很大。沈振榮等[8]總結(jié)了各地農(nóng)田秸稈覆蓋的增產(chǎn)效果，結(jié)果表明，666.7m2灌溉農(nóng)田夏玉米秸稈覆蓋增產(chǎn)幅度為88～227 kg，灌溉農(nóng)田冬小麥秸稈覆蓋增產(chǎn)幅度為23～57 kg。秸稈覆蓋的夏玉米增產(chǎn)效果高于冬小麥。

大多數(shù)研究都表明秸稈覆蓋能提高小麥產(chǎn)量。尤其是在旱作區(qū)，在有限的降水條件下，秸稈覆蓋具有保墑作用，土壤墑情的改善是小麥增產(chǎn)主要措施。歷年多點調(diào)查顯示， 旱地小麥覆蓋秸稈比不覆蓋可增產(chǎn)10%～15%。但有灌溉條件的一年一熟區(qū)和一年兩熟區(qū)， 秸稈覆蓋冬小麥有的研究結(jié)果則表現(xiàn)為不增產(chǎn)， 甚至顯著減產(chǎn)。李全起等[10]研究結(jié)果表明，不論何時覆蓋和覆蓋量為多少， 凡是實行秸稈覆蓋的麥田， 小麥產(chǎn)量均比不覆蓋的高。方文松等[11]在河南鄭州的研究表明，秸稈覆蓋可使冬小麥增產(chǎn)8.08%～10.71%。李其昀等[12]在山東的研究表明， 進(jìn)行秸稈覆蓋的處理，小麥平均增產(chǎn)28.23%。伊德里薩等[13]研究表明， 充分灌溉、輕度水分脅迫和重度水分脅迫條件下， 秸稈覆蓋均使冬小麥產(chǎn)量增加， 與無秸稈覆蓋相比分別增加0.98%、16.42%和24.32%。董文旭等[14]在河北省欒城縣多年研究結(jié)果表明， 秸稈覆蓋導(dǎo)致冬小麥減產(chǎn)，最初 4 年平均減產(chǎn)7%左右。謝瑞芝等[15]對中國保護性耕作試驗研究的產(chǎn)量效應(yīng)分析結(jié)果表明，中國保護性耕作的產(chǎn)量研究結(jié)果多為增產(chǎn)， 但也有10.92%的減產(chǎn)數(shù)據(jù)， 其中黃淮海、華北地區(qū)等地的減產(chǎn)概率比較高， 少耕和免耕處理的減產(chǎn)概率較高，小麥減產(chǎn)概率最高， 玉米減產(chǎn)概率最小。

2.5改變土壤溫度效應(yīng)

秸稈覆蓋地表后，由于秸稈覆蓋阻擋了太陽輻射向地面的傳播和夜間土壤向外散射能量，秸稈覆蓋條件下土壤溫度的季節(jié)變化、日變化均趨向緩和， 在低溫時具有“增溫效應(yīng)”，而高溫時則有“低溫效應(yīng)” [16]。秸稈覆蓋的土壤溫度效應(yīng)主要在土壤耕層，隨著土層加深影響越來越小。于曉蕾等[17]在陜西楊凌冬小麥田觀測， 發(fā)現(xiàn)0～15 cm土層地溫變化明顯， 而15～25 cm變化不明顯， 因此把0～15 cm土層作為地溫變化敏感層， 15 cm以下則為地溫變化不敏感層；秸稈覆蓋對溫度的影響隨覆蓋量的增加而加劇。

玉米生長季處于高溫季節(jié)，秸稈覆蓋處理具有降低土壤最高溫度的效應(yīng)，當(dāng)白天溫度升高時，秸稈覆蓋層的吸熱作用有效降低了地溫升高，覆蓋的土壤溫度比不覆蓋低；晚上溫度降低時，不覆蓋的溫度迅速降低，覆蓋處理的覆蓋層具有保溫效應(yīng)，可有效阻礙地溫降低，覆蓋比不覆蓋高；與不覆蓋相比，覆蓋的土壤溫度變化相對緩慢，日變化振幅明顯較?。辉谠搮^(qū)全年最高氣溫的7月，覆蓋處理日最高振幅降低了9.51℃，月最高平均振幅降低了5.49℃；8 月是降雨比較集中的月份，日最高振幅降低了2.06℃，月最高平均振幅降低了2.83℃；9月開始晝夜溫差加大，日最高振幅降低了5.32℃，月最高平均振幅降低了2.78℃[18]。

3秸稈還田過程中存在的問題

隨著農(nóng)業(yè)機械化水平的不斷提高，推動了秸稈直接還田技術(shù)的發(fā)展，秸稈連年還田，雖然對增加土壤有機碳和土壤養(yǎng)分輸入量，提高土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分含量，增強土壤肥力，改善土壤質(zhì)量等方面做出了重要貢獻(xiàn)。但同時在生產(chǎn)上仍然存在一些問題，華北平原小麥玉米兩熟區(qū)，自20世紀(jì)90年代以來長期進(jìn)行秸稈全量還田和土壤少免耕耕作，已暴露出不少新問題，如犁底層變淺，亞表層土壤容重增加、養(yǎng)分表聚，下耕層養(yǎng)分貧化，影響土壤養(yǎng)分供應(yīng)與作物根系生長，阻礙了產(chǎn)量的持續(xù)增產(chǎn)。大量秸稈混合在10 cm土層中，表層土壤懸松，不僅導(dǎo)致播種過深影響出苗，冬季麥苗極易受到旱和寒的影響而減產(chǎn)。張萍等[19]認(rèn)為， 秸稈覆蓋量和細(xì)碎程度均會影響小麥出苗率。趙麗等[20]研究表明， 秸稈覆蓋率和小麥出苗率之間呈二次或三次曲線擬合關(guān)系， 秸稈覆蓋度和秸稈覆蓋量的大小都不同程度地影響到了小麥出苗率。韓賓等[21]認(rèn)為， 常規(guī)耕作處理田間出苗率為70%以上，基本可以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要， 但免耕覆蓋處理田間出苗率僅60.2%。

根區(qū)溫度對作物生長和產(chǎn)量影響是一個復(fù)雜的過程，根區(qū)溫度影響植物一系列的生理生化代謝，如根系的吸收、運輸功能、激素代謝等，最終反映到對作物生長和產(chǎn)量的影響上。根區(qū)低溫會阻止根系伸長，根不斷伸長才能使其吸收部位與土壤水分、養(yǎng)分接觸。一些研究發(fā)現(xiàn)植物的吸氮能力與溫度關(guān)系密切，根區(qū)溫度還通過影響植物葉片的葉綠素含量、降低葉片碳同化酶活性、葉片光合產(chǎn)物輸出受阻等非氣孔限制因素來影響葉片的光合作用。植物的內(nèi)源激素受外界環(huán)境條件（如光照、溫度和水分等）影響，關(guān)于秸稈覆蓋對根區(qū)溫度的影響、對小麥生長的哪些生理過程造成什么程度的影響等需要進(jìn)一步的試驗驗證。

長期秸稈還田，表層土壤的秸稈覆蓋層越來越厚，起到了保護土壤和保墑效應(yīng)，但阻礙了化肥向根系層的下滲，減弱了灌溉水的流動速度，增大了灌溉量。秸稈還田雖是對秸稈有效利用的一種途徑，但如果還田量過大、土壤含水量不足、粉碎程度不夠、翻壓質(zhì)量不好等，則秸稈不能充分腐解，會影響播種質(zhì)量、出苗和苗期生長。另外，秸稈中C/N 比值較高，一般為（60～80）∶1，使秸稈在土壤中分解緩慢，微生物與作物爭氮，影響苗期生長，進(jìn)而影響后期產(chǎn)量。秸稈還田后土壤濕度增大，地溫升高，在為作物生長提供良好條件的同時，也為某些病蟲害的發(fā)生和流行創(chuàng)造了適宜的條件。秸稈還田后，秸稈中某些病菌殘留在大田而未被消滅，從而增加了病菌的數(shù)量，使病害率增加。

4秸稈直接還田的發(fā)展方向

4.1建立土壤輪耕的耕作制度

針對長期秸稈還田和土壤少免耕帶來的問題，可建立土壤輪耕的耕作制度，即對長期秸稈還田和少免耕的土壤進(jìn)行定期深翻。深翻的主要作用是翻埋還田的秸稈、殘茬、雜草和病蟲等生物有機體，為提高播種質(zhì)量和作物出苗創(chuàng)造條件；翻耕后使還田的秸稈與土壤充分接觸，加快秸稈的腐解，提高深層的土壤肥力，解決土壤養(yǎng)分表聚的問題；翻耕可把地面和表土中害蟲卵蛹、病菌、孢子等翻到下面，使其在缺氧條件下窒息死亡；把原來藏于下層的害蟲翻到地表，改變其生活環(huán)境，或失水干枯，或冬季低溫下冷凍死亡；疏松耕層土壤，增加非毛管孔隙，提高總孔隙度，增強通氣性和透水性，促進(jìn)好氣微生物活動和養(yǎng)分釋放，有利于作物根系發(fā)育。試驗表明，黃淮海平原小麥玉米一年兩作種植區(qū)域，合適的土壤輪耕模式為，3年秸稈還田旋耕后，第四年小麥播種前進(jìn)行土壤深翻。

4.2秸稈還田快速腐解劑與秸稈適宜還田量研發(fā)

秸稈快速腐熟劑加快常溫條件下秸稈的快速腐解，不延誤農(nóng)時、不影響下茬作物生長發(fā)育。因此，有效快速秸稈腐解劑的研發(fā)也促進(jìn)秸稈直接還田的發(fā)展。在冬小麥夏玉米輪作制度中，不同的土壤肥力和灌溉條件下，在保證冬小麥增產(chǎn)的前提下夏玉米秸稈適宜的還田量以及相應(yīng)的水肥配套技術(shù)需要研究。

4.3多功能秸稈還田機與打捆機的研發(fā)與應(yīng)用

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，聯(lián)合收割機附帶秸稈切碎裝置能使作物收獲和秸稈直接還田有機結(jié)合，使作業(yè)成本下降，且靈活方便，適宜于大面積耕地作業(yè)，是最有前途的秸稈還田發(fā)展方向之一。國內(nèi)許多企業(yè)都在積極開發(fā)生產(chǎn)，如已生產(chǎn)出配套新疆-2型聯(lián)合收割機的秸稈切碎裝置。未來秸稈還田聯(lián)合作業(yè)機的發(fā)展應(yīng)重視農(nóng)機與農(nóng)藝結(jié)合研究，生物腐熟菌劑噴施與機械化秸稈還田聯(lián)合作業(yè)也是秸稈還田的發(fā)展方向。

4.4政府補貼推動

秸稈還田是利國利民工程，需要機械作業(yè)完成，尤其是多功能的聯(lián)合作業(yè)機械，這些機械的推廣需要政府部門進(jìn)行補貼，以推進(jìn)秸稈還田技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

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